Estructura interna i propietats

Explica en què consisteixen els tres tipus principals d'enllaç atòmic (iònic, covalent i metàl·lic) i posa un exemple de material representatiu de cada un, indicant una propietat seva que s'expliqui pel seu enllaç.

El coure condueix el corrent elèctric i el polietilè no. Explica aquesta diferència a partir del model del «mar d'electrons» de l'enllaç metàl·lic i de l'estructura dels polímers.

Prediu, raonant-ho a partir del tipus d'enllaç, el comportament d'aquests tres materials: sal comuna (NaCl), coure (Cu) i quars (SiO₂). Per a cadascun, indica si esperes que condueixi el corrent en estat sòlid, si tindrà punt de fusió alt o baix i si serà fràgil o dúctil.

La figura mostra la cel·la unitat d'un metall cristal·lí: hi ha àtoms en els vuit vèrtexs del cub i un àtom addicional al seu interior. Indica com es diu aquesta xarxa cristal·lina i explica, a partir d'ella, per què els metalls solen ser densos i deformables.

Explica amb el model de la xarxa cristal·lina per què un metall es pot laminar en xapes fines sense trencar-se mentre que un cristall iònic (com la sal) es trenca en colpejar-lo: què passa amb els plans d'àtoms i amb les càrregues en cada cas.

Compara qualitativament les xarxes cúbica centrada en el cos (BCC) i cúbica centrada en les cares (FCC): quants àtoms toca cada àtom (coordinació) i quins metalls típics cristal·litzen en cadascuna (ferro a temperatura ambient enfront d'alumini o coure).

Explica la diferència d'estructura interna entre un polímer termoplàstic (cadenes independents) i un de termoestable (cadenes entrecreuades), i raona per què el primer es pot reciclar fonent-lo i el segon no.

El diamant i el grafit estan formats únicament per àtoms de carboni, però el primer és el material natural més dur i el segon es fa servir com a lubricant i en mines de llapis. Explica aquesta diferència a partir de com s'enllacen i s'ordenen els àtoms de carboni en cada estructura.

Una ampolla de vidre i un cristall de quars tenen composicions químiques molt semblants (totes dues basades en sílice), però el vidre és amorf i el quars és cristal·lí. Explica què signifiquen aquests dos termes i raona per què el vidre es trenca en fragments irregulars mentre que el quars presenta cares planes.

Distingueix entre aliatge de substitució i aliatge intersticial a escala atòmica: quina mida relativa han de tenir els àtoms afegits en cada cas i un exemple real de cada tipus (bronze amb estany enfront d'acer amb carboni).

L'acer és ferro amb fins a un $2\,\%$ de carboni. Explica qualitativament què són la ferrita i la cementita (carbur de ferro) en la seva microestructura i raona per què l'acer amb més carboni és més dur però menys soldable.

Per a la fabricació de casquets de fricció sotmesos a càrrega, un informe de qualitat mostra que el bronze Cu-Sn (10 % en pes d'Sn) presenta un límit elàstic notablement superior al del coure pur recuit. Un operari proposa substituir l'estany per zinc en idèntica proporció (llautó Cu-Zn al 10 % de Zn), afirmant que l'enduriment serà exactament el mateix pel fet de tractar-se en tots dos casos de solucions sòlides substitucionals.

1. a) Disposant dels radis atòmics ($r_{\text{Cu}} = 128\ \text{pm}$, $r_{\text{Zn}} = 133\ \text{pm}$, $r_{\text{Sn}} = 151\ \text{pm}$), justifica mitjançant la teoria de distorsió de la xarxa cristal·lina i els camps de tensions elàstics per què l'afirmació de l'operari és errònia, i prediu quina de les dues aliatges oposarà més resistència al desplaçament de dislocacions.
2. b) Explica com es veuen afectades la ductilitat i la conductivitat elèctrica del coure en afegir-li aquests soluts, relacionant tots dos canvis amb la dispersió d'electrons i el bloqueig del moviment de les dislocacions.

S'analitzen tres oblies de materials covalents per dissenyar un sensor de temperatura resistiu en un interval de 150 °C a 350 °C: diamant ($E_g \approx 5,5\ \text{eV}$), silici ($E_g \approx 1,1\ \text{eV}$) i germani ($E_g \approx 0,67\ \text{eV}$).

1. a) Un tècnic suggereix utilitzar germani dopat amb fòsfor ($10^{16}\ \text{àtoms/cm}^3$). Interpreta amb el model de bandes per què, en elevar la temperatura per sobre de cert llindar, la concentració intrínseca de portadors supera l'aportada pels dopants (règim intrínsec), descontrolant la conductivitat i invalidant el calibratge del sensor.
2. b) Prediu raonadament quin dels tres materials base oferiria més estabilitat davant la generació tèrmica incontrolada de parells electró-forat en aquest rang de temperatures i argumenta si el diamant es comportaria com a semiconductor o com a aïllant a 350 °C considerant l'amplada de la seva banda prohibida.

En una passarel·la per a vianants costanera s'han unit bigues d'acer estructural al carboni mitjançant perns d'acer inoxidable i reblons d'aliatge d'alumini. Als dos anys de servei s'aprecien dues patologies greus: els reblons d'alumini s'han desintegrat per corrosió galvànica, mentre que les bigues d'acer mostren perforacions localitzades intenses en els punts on la capa de pintura protectora va patir esgarrapades durant el muntatge.

1. a) Justifica mitjançant la sèrie galvànica de potencials i el balanç de superfícies (relació d'àrees ànode/càtode) la ràpida destrucció dels reblons d'alumini en contacte amb l'acer inoxidable en atmosfera salina, explicant per què la seva capa natural de passivació d'alúmina ($\text{Al}_2\text{O}_3$) no va ser suficient per evitar l'atac.
2. b) Rebat la idoneïtat del recobriment de pintura enfront d'un galvanitzat en calent (recobriment de zinc). Justifica electroquímicament per què una esgarrapada a la pintura accelera la corrosió localitzada de l'acer base, mentre que a la xapa galvanitzada l'acer queda protegit encara que el recobriment pateixi una esquerda o incisió similar.

Es dissenya el xassís estructural per a un dron de rescat lleuger que ha de maximitzar l'autonomia de vol, garantir rigidesa enfront de ràfegues de vent i absorbir impactes en aterratges forçosos sense fractura catastròfica. Es presenten tres materials candidats:

• Candidat A (Poliamida 66 amb 30 % de fibra de vidre curta): $\rho = 1,35\ \text{g/cm}^3$, $E = 8,5\ \text{GPa}$, tenacitat a l'impacte Izod $= 11\ \text{kJ/m}^2$, cost baix, reciclable per termoconformat.

• Candidat B (Aliatge de magnesi AZ91D forjat): $\rho = 1,81\ \text{g/cm}^3$, $E = 45\ \text{GPa}$, límit elàstic $\sigma_y = 160\ \text{MPa}$, tenacitat a la fractura $K_{1c} = 17\ \text{MPa}\cdot\text{m}^{1/2}$, cost mitjà, reciclable per fosa.

• Candidat C (Laminat epoxi amb fibra de carboni contínua unidireccional / CFRP): $\rho = 1,55\ \text{g/cm}^3$, $E = 135\ \text{GPa}$ (en direcció longitudinal), fràgil davant d'impactes puntuals transversals, cost molt elevat, no reciclable tèrmicament.

1. a) Calcula la rigidesa específica ($E/\rho$) dels tres candidats i interpreta quin d'ells optimitza millor la relació entre rigidesa estructural i massa en vol.
2. b) Si el dron ha d'operar en entorns rocosos amb un alt risc de col·lisió accidental, justifica quin material seleccionaries raonant els pros i contres microestructurals dels candidats B i C (ductilitat i deformació plàstica enfront de comportament elàstic-fràgil amb delaminació). Argumenta quin criteri prioritari t'obligaria a descartar el Candidat A malgrat la seva menor densitat i cost.